Tvrdoća metalnih materijala

Tvrdoća metalnih materijala odnosi se na sposobnost materijala da se odupre lokalnim deformacijama, posebno plastičnim deformacijama, udubljenjima ili grebanjima. To je pokazatelj mekoće ili tvrdoće materijala.

Tvrdoća se dijeli u tri vrste na temelju metoda ispitivanja.

Tvrdoća ogrebotina: Ovo se prvenstveno koristi za usporedbu tvrdoće različitih minerala. Metoda uključuje korištenje šipke čiji je jedan kraj tvrd, a drugi mekan, a zatim povlačenje šipke preko materijala koji se ispituje. Mjesto na kojem se pojavljuju ogrebotine određuje tvrdoću materijala. Kvalitetno, tvrđi predmet ostavlja dužu ogrebotinu, dok mekši ostavlja kraću ogrebotinu.

Tvrdoća udubljenja: Ovo se uglavnom koristi za metalne materijale. Metoda uključuje primjenu određenog opterećenja za utiskivanje određenog utiskivača u materijal koji se ispituje. Tvrdoća materijala određena je opsegom lokalne plastične deformacije na površini. Zbog varijacija u utisku, opterećenju i trajanju opterećenja, postoji nekoliko vrsta ispitivanja tvrdoće utiskivanja, uključujući Brinellovu tvrdoću, Rockwellovu tvrdoću, Vickersovu tvrdoću i mikrotvrdoću, među ostalima.

Tvrdoća povrata: Ovo se uglavnom koristi za metalne materijale. Metoda uključuje dopuštanje posebno dizajniranom čekiću da slobodno padne s određene visine i udari u uzorak materijala koji se ispituje. Tvrdoća materijala određena je količinom energije deformacije koju uzorak apsorbira (i zatim otpušta) tijekom udarca, a koja se mjeri visinom do koje se čekić odbija.

Najčešći testovi tvrdoće za metalne materijale - tvrdoća po Brinellu, tvrdoća po Rockwellu i tvrdoća po Vickersu - spadaju u kategoriju tvrdoće utiskivanjem. Vrijednost tvrdoće predstavlja sposobnost materijala da se odupre plastičnoj deformaciji kada se drugi predmet utisne u njegovu površinu. Rebound testovi tvrdoće (Shore, Leeb) mjere tvrdoću na temelju opsega elastične deformacije metala, pri čemu vrijednost tvrdoće pokazuje sposobnost materijala za elastičnu deformaciju.

Tvrdoća po Brinellu

Utiskivač s promjeromDizrađena od kaljenog čelika ili karbidne kuglice utiskuje se u površinu uzorka odgovarajućom ispitnom silomF. Nakon navedenog vremena držanja, ispitna sila se uklanja, ostavljajući udubljenje s promjeromd. Vrijednost Brinellove tvrdoće izračunava se dijeljenjem ispitne sile s površinom udubljenja. Dobivena vrijednost je Brinellova tvrdoća, označena kaoHBSiliHBW.

HRazlika izmeđuHBSiHBWleži u vrsti utiskivača koji se koristi.HBSodnosi se na ispitivanje pomoću kuglice od kaljenog čelika kao utiskivača, koja se obično koristi za mjerenje vrijednosti Brinellove tvrdoće u materijalima s tvrdoćom ispod 450, kao što su meki čelici, sivi lijev i obojeni metali.HBW, s druge strane, koristi kuglicu od karbida kao utiskivač i koristi se za mjerenje Brinellove tvrdoće u materijalima s tvrdoćom ispod 650.

Za isti ispitni komad i pod identičnim uvjetima ispitivanja, rezultati dviju metoda će se razlikovati, sHBWvrijednosti koje su često veće odHBSvrijednosti. Međutim, ne postoji fiksni kvantitativni odnos između to dvoje.

Od 2003. Kina je prihvatila međunarodni standard i zamijenila upotrebu kuglica od kaljenog čelika karbidnim kuglicama za ispitivanje tvrdoće po Brinellu. Kao rezultat toga,HBSviše se ne koristi, iHBWje postala standardna oznaka za Brinellovu tvrdoću. U mnogim slučajevima,HBkoristi se sam za predstavljanje Brinellove tvrdoće, koja se obično odnosi naHBW. Međutim,HBSjoš uvijek se može vidjeti u nekoj literaturi i akademskim radovima.

Ispitivanje tvrdoće po Brinellu prikladno je za materijale poput lijevanog željeza, legura obojenih metala i raznih žarenih ili kaljenih čelika. Nije prikladan za ispitivanje materijala koji su pretvrdi, premali, pretanki ili uzoraka koji ne mogu tolerirati velika udubljenja na svojim površinama.

Tvrdoća po Rockwellu

Metoda koristi dijamantni stožasti indener s vršnim kutom od 120 stupnjeva ili kuglicu od kaljenog čelika kao indener, u kombinaciji sa specifičnom konfiguracijom opterećenja. Ispitivanje počinje s početnim opterećenjem od 10 kgf, nakon čega slijedi primjena ukupnog opterećenja (koje je zbroj početnog opterećenja i glavnog opterećenja) od 60, 100 ili 150 kgf. Utiskivač se utiskuje u uzorak pod tim opterećenjima uzastopno. Nakon primjene ukupnog opterećenja, tvrdoća se određuje razlikom u dubini udubljenja između dubine pod početnim opterećenjem i dubine pod ukupnim opterećenjem kada se glavno opterećenje ukloni, dok početno opterećenje ostaje.

Ova metoda se obično koristi uTvrdoća po Rockwellutestiranje. Dubina udubljenja pod početnim opterećenjem i ukupno opterećenje koristi se za izračunavanje vrijednosti tvrdoće, koja odražava otpornost materijala na utiskivanje pod oba opterećenja.

Ispitivanje tvrdoće po Rockwellu koristi tri različite ispitne sile i tri vrste utiskivača, što rezultira s devet mogućih kombinacija, od kojih svaka odgovara jednoj od devet skala tvrdoće po Rockwellu. Ovih devet ljestvica pokrivaju gotovo sve uobičajene metalne materijale. Najčešće korištene vage suHRA, HRB, iHRC, saHRCkao najšire primjenjivan.

Uobičajena standardna tablica za ispitivanje tvrdoće po Rockwellu

TheHRC ljestvicaobično se koristi za vrijednosti tvrdoće u rasponu od 20 do 70 HRC. Kada je vrijednost tvrdoće ispod 20 HRC, osjetljivost testa se smanjuje jer konusni vrh utiskivača prodire preduboko u materijal. U ovom slučaju,HRB ljestvicatrebao bi se koristiti umjesto njega jer je prikladniji za mekše materijale.

Kada tvrdoća uzorka prijeđe 67 HRC, pritisak na vrhu indentera postaje previsok, što može oštetiti dijamant i značajno skratiti životni vijek indentera. Stoga se općenito preporučuje prijelaz naHRA ljestvicaza materijale tvrdoće veće od 67 HRC.

Ispitivanje tvrdoće po Rockwellu jednostavno je za rukovanje, brzo je i daje male udubine, što ga čini prikladnim za ispitivanje površina gotovih proizvoda, kao i za tvrđe i tanje izratke. Zbog malog udubljenja, vrijednost tvrdoće može značajnije fluktuirati za materijale s nejednakom mikrostrukturom ili tvrdoćom, što rezultira manjom preciznošću u usporedbi s ispitivanjem tvrdoće po Brinellu. Rockwellov test tvrdoće obično se koristi za mjerenje tvrdoće čelika, obojenih metala, karbidnih materijala i drugih legura.

Tvrdoća po Vickersu

Princip mjerenja tvrdoće po Vickersu sličan je principu mjerenja tvrdoće po Brinellu. Koristi se dijamantni piramidalni utiskivač s uključenim kutom od 136 stupnjeva i specificiranom ispitnom silomFnanosi se na površinu materijala. Nakon održavanja opterećenja tijekom određenog razdoblja, ispitna sila se uklanja. Vrijednost tvrdoće određena je prosječnim pritiskom na jedinicu površine udubljenja kvadratne piramide, a vrijednost tvrdoće označena je simbolomHV.

Vickersov test tvrdoće ima širok raspon mjerenja, može mjeriti materijale s vrijednostima tvrdoće u rasponu od10 do 1000 HV. Udubljenje je malo, što ga čini posebno prikladnim za mjerenje tanjih materijala i površinski otvrdnutih slojeva, kao što su karburizirane ili nitrirane površine.

Tvrdoća Leeba

U ispitivanju tvrdoće po Leebu, udarno tijelo s kugličnim utiskivačem od volfram karbida koristi se za udar u površinu uzorka pod specifičnom silom, uzrokujući njegovo odskakanje. Zbog različite tvrdoće materijala, brzina odbijanja se razlikuje. Uređaj za udarce opremljen je trajnim magnetom, a kako se udarno tijelo pomiče gore-dolje, okolna zavojnica generira elektromagnetski signal koji je proporcionalan brzini odbijanja. Taj se signal zatim pretvara u vrijednost Leebove tvrdoće putem elektroničkog sklopa, a vrijednost je označena simbolomHL.

Leeb mjerač tvrdoće ne zahtijeva radni stol; njegov senzor tvrdoće malen je poput olovke i njime se može upravljati izravno rukom. To olakšava ispitivanje velikih, teških izradaka ili geometrijski složenih uzoraka bez poteškoća.

Još jedna prednost Leeb uređaja za mjerenje tvrdoće je ta što uzrokuje vrlo minimalno oštećenje površine proizvoda, au nekim slučajevima se može koristiti zaispitivanje bez razaranja. Posebno je jedinstven za ispitivanje tvrdoće u različitim smjerovima, uskim prostorima i specijaliziranim područjima, gdje druge metode mogu biti izazovne za primjenu.